研究性学习报告——魔术中的物理

高二 陆晨翔

魔术，相信大家一定多很熟悉，他以其特有的神秘感和趣味性深受大家的喜爱。目前大多数魔术仍未被解秘，在少部分被揭秘的魔术背后，其实大多是欺骗你眼睛的伎俩。那神秘莫测的魔术背后是否有一些科学的物理道理呢？我们的答案是肯定的。

我们研究这一课题的目的，一方面是因为魔术接近我们的生活，有一定趣味性和新颖性，一方面是希望增进大家对魔术的认识，提高大家对魔术的欣赏能力，领悟到神秘事物背后是蕴藏着朴素真理的；最重要的一方面是希望激起大家对物理学习的兴趣，促使大家在生活中运用课堂中学习的物理知识和规律，真正做到学以致用，用以得趣，趣以促学。

我们的研究方法，包括分析法，比较法，类比法，综合法，系统法等。（1）具体的研究过程（1）是制定实施课题方案，论证可行性并修改方案 ，之后制定出研究计划。（2）在互联网，图书馆等处搜索各种形式的相关资料小组成员从资料提取有用信息并进行分类整合。（3）听取老师指导，进一步修饰和整理。（4）对研究进行概括总结，完成报告论文和ppt幻灯片。

 我们的研究内容包括以下几点：<1>手比眼快——魔术与视觉暂留现象，<2>魔术与光学，<3>魔术与热学，<4>魔术与大气力学，<5>魔术与电磁学

  

<1>手比眼快——魔术与视觉暂留现象

典例1  瞬间便没型

魔术师将彩纸塞进一个透明圆管，向你展示后，彩纸瞬间变没。

原理：其实在彩纸的一端系有一根弹性细线，细线从魔术师的一个袖口穿进系在衣内。魔术师只须微张手臂，细绳产生的弹力在极短时间里可将彩纸拉进袖口

典例2 魔术师向平靠在竖直木板上表演者镖飞刀，但总未失手。

原理：魔术师其实并未镖出飞刀，而是将刀藏在衣内。同时木板在极短时间里，木板后的机关在不会伤人的地方插出刀，给人是魔术师在镖刀的假象

典例3 美国枷锁。例如刘谦在春晚上表演的皮筋魔术

原理：这个魔术在两段表演中都有一个必须做的动作，就是第一下先

把两个手指即食指和中指合在一起，然后在表演之前有一个绕的动作，

也就是这一下，已经把皮筋分开了。拇指和食指勾住皮筋，合拢的时候

快速用中指挂住皮筋，松开食指，然后又用食指勾住皮筋，这样就出来了。然后放回原位时不断的晃动皮筋，因为已经出来了，又是连贯的晃动动作，不容易被看穿。

     事实上很多魔术都是使用了这个原理

1、飞杯不见

表演者端出一只圆磁盘，盘内有一把敞口壶，一只玻璃杯，然后用一块手帕盖在杯口上，演员拿起杯子和手帕，向观众走去，手一抖动杯子不见了。 

说明：原来机关秘密在手帕中，手帕中有一块圆型铁圈，象杯子口一样大小，其实走向观众的时候，杯子已经没有了。因为铁圈和杯口一样大，所以观众不会注意到

2、二牌变五

演员拿出一付牌的其中两张，牌背向观众交代后，说明没有夹带，手一晃动，向观众交代五张扑克牌1、2、3、4、5，怎么一下变成五张呢？演员又一晃动，又变成两张扑克牌。

说明：原来只有用两张牌，另外三张不同的点子是剪下来贴在一个角上，演员一晃动就是换一个方向，调一个头，小魔术靠熟练，调头要自然，这样就能收到良好的效果

3、杯底抽帕

演员将一只玻璃茶杯向观众交代，并且将水倒入滴水不漏，演员将水倒出擦干，放入一块绸布杯中，杯口封好、左手拿好，立即用右手抽出杯中的绸巾。

说明：原来机关在杯子上，在制道具时就将杯子底旁钻了一个小孔，约1分硬币大小，倒水时用左手按上，水当然不漏，抽绸巾时就从小孔里抽出来的。

  

  理论介绍 以上魔术都与视觉暂留现象有密切关系，以下是对视觉暂留现象的简介：当你看到一幅场景时，在之后的0.1~0.4s不等的时间里你对其他的视觉变化没有任何反应，而魔术师就是在这极短的时间里完成魔术过程，因此你无法分辨

（2）魔术与光学

典例1，箱子类魔术

大家一定见过魔术表演用的箱子，魔术师可以把空一天的箱子变出人来，也可以向你展示一个人在箱子里，之后用锯子锯开箱子，发现又出来另一个人。

原理：其中一些箱子里有许多平面镜，透镜等光学器械，将箱子下的暗室

的景象反射，折射给你看，也就是说你只看见的是镜子不是箱子内部，

典例2，瞬间变没大象

大象被牵入一个特定的背景之下，在一股短暂的烟雾过后，大象消失。

原理：大象所在特定的背景A周围，有许多平面镜（观众看不见）。并且在背景A的两侧是与背景A相同的背景B。一阵短暂烟雾后，平面镜被拉动，反射出背景B的景象，你看到的只是镜子中的影像，你自然看不见大象

典例3  铜镜透视

  魔术师取出一块铜镜，让观众检查后确定只是一块普通镜子。之后照亮镜子正面，观众会发现镜子背后有黑影在动。

原理：这块镜子的镜面微凸，镜子后面有一定的图案，这些图案在相应的地方微凹，这种变化是人眼无法觉察到的。在光照下，由于漫反射这种变化会以明暗的形式展现出来，因为下凹处会暗一些。魔术师微微改变光的入射角便会是黑影变化（其实，这个魔术的最早发明者应该是汉唐时代的中国人，据说魔术师的创作灵感就来源于一个有特殊现象的“古代魔镜”，而这“古代魔镜”正是在中国出土的一个汉唐时代的文物）

典例4   蛋中看鸡雏－－光的传播
 　　你可以利用影子的特性，向你的同伴表演一个有趣的玩意儿。拿一张浸过油的纸，把它粘在一张硬纸板中间的方孔上，就装配成一个油纸幕。幕的后面放两盏灯；请你的观众在幕的前面观看。现在，把一盏灯点起，譬如把左面的一盏灯点起。
　　在点起了的灯跟纸幕之间，加进一个椭圆形的硬纸片，于是幕上就现出了一个鸡蛋的影像（这时右面一盏灯还没有点燃）。现在你可以向你的观众说，就要开动X射线透视机了，就可以透视到鸡蛋的内部……看到鸡雏了！果然，一下子你的观众就会看到那鸡蛋边上仿佛比较明亮，中心部分却暗了下去，清楚地看到了一只鸡雏的影像（如图）。
　　
　　其实这出魔术没有多大奥妙，说穿了很简单：在你右面那盏灯的前面，

放着一个鸡雏形的硬纸片。把这盏灯点亮以后，幕上那椭圆形的影子上，

又有右面的灯射来的一个“鸡雏”的影子，而鸡雏影子四周受到

右面灯光的照射，因此，“鸡蛋”的边上要比它的中央部分明

亮。你的观众呢，他们是坐在幕的前面的，并没有看到你

的动作。

  原理简介 魔术中的箱子

魔术表演中常利用箱子，将物体或人放入变没又变回，箱子自然不是普通的箱子，许多情况下是在箱子中装了一个双面镜，如图2所示。镜子按对角线安装，将箱子分成两个对称的空间，箱子的顶和底都设制了可以打开的盖。由于镜子所成像与原物的对称性，箱内部的棱角在镜中的像与镜子另一边的棱角完全吻合，放在镜子背面的东西是看不到的，从镜子的另一面看好像是空箱。镜子也可以只安装箱子的一半，柔巧的助手进入后钻入镜后便不见了，再从镜后钻出便会重视。

分身术   在卓别林的电影5大马戏团6中，卓别林逃到一个许多镜子的大厅里，几面镜子按一定角度安置，折射出无数个卓别林来。

大家简单地用两面互成锐角的镜子就可发现这个道理。镜中的像可再次成像，两镜交角处的360°空间好像被分隔成对称的小空间，每一空间里都有一个物体的像，所以在两镜间可成像360/a－1个像，A为两镜的夹角度数，这些像和原物都分布在一个圆周上，如图7所示，如果你置身于用六面镜子组图8成一个封闭的六边形内如图8，镜子经多次反射便幻化出无数个相同的六角形空间，每一个空间里都有一个与你同步活动的你。玩具“万花筒”是利用三面镜子构成等边三角形，在筒内放些碎彩色玻璃，从一端望去，就能看到许多对称的图案，稍一转动，便可得到不同的图案，“万花筒”的名称绝不是虚夸。

（3）魔术与热学

典例1 火烧手绢

魔术师用打火机点燃一块手帕，待火熄灭后，手帕安然无恙。

原理：汽化吸热。表演前手帕已预先处理好，被水浸湿并蘸有酒精，事实上被点燃的是酒精，其燃烧产生的大量热被水汽化吸收，使温度达到着火点，因此手帕安然无恙。

典例2 点燃的棉布

魔术师在商场中随机找到一个正在买衣服的女士，在与其交谈过程中突然将点燃的香烟插向新买的衣服，该女士大吃一惊，之后她又不得不被衣服安然无恙而在吃一惊。

原理：其实魔术师在用香烟接触衣服时，有一个硬币靠在点燃处，金属的导热性远比棉布强，吸收大量热使棉布的温度低于着火点，因此不会点燃。

典例3 油锅取物

表演者向锅中加入一些油状物，待加热翻滚时，表演者双手伸入油中，却安然无恙

原理：在油中掺有醋，由于醋的密度大于油的密度，醋沉在底下，油浮在上面。醋的沸点较低（一般来讲，醋是混合物无明确沸点），先沸腾是醋，因而不会烫手。

原理归纳：以上小魔术用到了汽化吸热，热的传导性以及沸点的知识，汽化吸热和热的传导性将较集中的热量扩散或传导，产生与人感觉不符的现象。总之，这些魔术就是用了一些假象来欺骗你，可假象的背后却蕴含着真理！

大气力学与魔术

典例1，戳不破的气球

原理：先把充足气的气球稍放一点气，再在气球某处

粘上透明胶带，扎气球的针从占有胶带的地方扎入气球，胶带能使伤口不再扩大，气体十分缓慢地泄漏，因此气球不会爆炸。

典例2，有孔纸片托水

凡是有孔的东西，都是会漏水的，可是一张满纸小孔的薄纸片，可以托起2斤重的水，并且不漏下来。

原理：1）薄纸片能托起瓶中的水，

是因为大气压强作用于纸片上，

产生向上托力。

2）小孔不会漏水是因为水表面

有张力，在纸表面形成水的

薄膜，使水不会漏出来，雨伞就是

用的这个道理。

典例3  空碗变鱼－－大气压强
　　取手巾展示给观众看无异常，平铺在桌面上。将一个碗口朝下托着给观众看后，倒扣桌面上。用手巾盖住碗，将碗翻过来故意摆弄一番，揭去手巾时碗中出现了水和鱼。
　　原因是碗中原来就有水和鱼，只是用一块比碗口小点的胶皮遮住，由于大气压的作用在碗倒放时，水不流出显示碗里无物。碗翻过来揭去手巾时，同时揭去胶皮，就有了水和鱼。

 典例5  彩球飞舞，二龙戏珠－－流速与压强的关系

材料准备：1、铁桶一只，可乐瓶两个，尖嘴玻璃管三支，双孔橡皮塞两个，气门芯两条，橡皮管若干条、沙子，打气筒两个。2、尖嘴玻璃管若干，铁架台若干，高压水龙头、沙子。
　　表演时，将一根细管按如图方式安装在瓶塞上，瓶内装上水。用橡皮管把打气筒与瓶相连，不断向瓶内充气，瓶内水就会喷出。再把乒乓球放在水柱上，试验几次就成功了。也可安装两根竖管喷水，呈现二龙戏珠的有趣现象。

电磁学与魔术

典例1纸人跳跃－－摩擦起电
 　　手持一张白纸，当众剪成许多小纸人，放在桌上，又取来一小块玻璃板放在小纸人上面，再把这块小玻璃板用两本书架好，使玻璃板与小纸人之间有一定空隙，又拿出一块手帕反复交待，证明手帕是没有秘密的，用这块手帕在玻璃板上用力擦了几下，只见玻璃板下面的小纸人却上下跳跃起来……
　　　解释：用手帕在玻璃板上用力摩擦就能生电，所以玻璃板就能把小纸人吸上来，大家都可以试试看，看看纸人能不能跳跃？当然不一定就只剪成纸人，剪成别的动物也可以

摩擦起电有关的小魔术
　　在干燥的天气里，在干燥的手上戴一副线手套，两手相对乒乓球摩擦，然后就可以做几个有趣的实验。
　　典例2钻袖筒
拿着摩擦过半分钟的乒乓球，松手使球自由下落。你将会看到球没有竖直下落，而是走了一条弧线，甚至还能钻到你的袖筒里去呢。
　　球跟手走
把经过双手摩擦的乒乓球放在光滑的桌面上，用手靠近它，瞧！乒乓球向着手的方向滚过来了。手若移动，它也会跟着移动。
　　典例3火柴直立
拿摩擦过的乒乓球去接触桌面上的一根火柴棍，慢慢提起，火柴棍就随着抬起了头，甚至还能直立起来呢。
　　典例4气功提碗－－磁力
　　演示者手拿一个白色塑料碗，向观众交待清楚碗内外，无任何夹带和异常现象。
　　将塑料碗内注入半碗水，放在桌上。演示者取来一根黑色魔棒，用右手握着魔棒的中部，将魔棒一端插入带水的塑料碗里，使魔棒的端头与碗底接触，然后拉开架势运上“气功”，运气运到一定程度，向上提魔棒，魔棒虽然提起来了，但碗仍然停放在桌面上。此时演示者向观众说：“气没运足，碗是提不起来的。”尔后，演示者再按上述方法运用“气功”提碗，魔棒与碗一起被提起而离开桌面。
　　所谓气功提碗是假，而靠磁钢的吸力提碗是真。原来在塑料碗底上粘有一块硅钢片，而魔棒一端镶有一块具有强磁力的钕铁硼磁钢，当该磁钢与硅钢片接触时，将硅钢片磁化而被吸住；当表演者向上提魔棒时，就会连同盛有水的塑料碗一同提起来了。为了增加演出效果，第一次提碗时，用魔棒没有磁钢的一端接触碗底，这当然不能将碗提起来，然后再将棒巧妙地掉头，即可吸住硅钢片。如果你有兴趣演示，只要制作一份简单的道具，练习几次就可以上演了。

六  研究收获

从这些魔术中我们轻松愉快地学到了很多物理知识，如视觉暂留、光的反射，热学知识······魔术看似复杂，深不可测，然而其本质却是简单的。如果你发现不了其中蕴含的知识，打开奥秘之门，那你就无法拨开它神奇的棉纱。但只要在生活上细心观察，认真思考，放飞想象的翅膀你也可以表演一个属于自己的魔术。

魔术中有许多精彩的表演,这都是魔术师们精心设计的,运用了许多物理知识.但这些知识都是生活中极其细微的道理,像钢针穿透玻璃,这些都需要我们在生活中学习,在实验中探究,   这样才会学到更多知识,了解更多的道理。

       在收集资料的过程中，大家分工合作，找到了许多以前没有见识的魔术。在探讨的过程中，不仅增强了我们的分析能力，还让我们深切体会到           魔术的奇妙；世界的无奇不有和物理知识的广泛应用。研究之前看起来深不可测的魔术，经大家思考后，都迎刃而解，我们也获得了比

别人更多的魔术知识。

七  研究感想

       通过这次探究我们学会了在生活中找问题,解决问题.同时我们也学到了不少物理知识,知道了他们的实际应用,开阔了我们的视野.我们也学会了怎样去收集资料,整理资料,边学习边思考得出结论.在动手实践中获益不少,了解了课本以外的知识,以及知识在生活中的运用。

      更可贵得是，我们在一起探究学习的过程中，不仅仅学到知识，更锻炼了我们的动手和动脑能力，体会到集体的重要。对我们今后的学习和生活都是受益匪浅。

第二篇：物理研究性学习报告

物理研究性学习报告

报告人：杜婉铭 高一七班 时间：20xx年2月 主题：研究金属制品的使用寿命与回收利用

内容概述： 1.金属刀具的磨损

2．金属疲劳

3.废旧电池回收利用

前言：家庭金属制品很多。比如说：厨具，家电，晾衣架，电池，温度计等。很多是铁合金，铝合金，含镍，汞，铅。金属制品很耐用，坚固，寿命较长。但金属是非可再生资源需要我们更好的回收利用。

正文：

一．金属刀具的磨损

二．金属疲劳

注释：

应力定义：受力物体截面上内力的集度，即单位面积上的内力。

当材料在外力作用下不能产生位移时，它的几何形状和尺寸将发生变化，这种形变就称为应变（Strain）。材料发生形变时内部产生了大小相等但方向相反的反作用力抵抗外力．把分布内力在一点的集度称为应力（Stress），应力与微面积的乘积即微内力．或物体由于外因(受力、湿度变化等)而变形时，在物体内各部分之间产生相互作用的内力，以抵抗这种外因的作用，并力图使物体从变形后的位置回复到变形前的位置。

1. 金属疲劳铸成的悲剧

19xx年5月25日，一架满载乘客的美国航空公司

DG—10型三引擎巨型喷气客机，从芝加哥起飞不久，

就失去了左边一具引擎，随即着火燃烧，然后爆炸坠

地。机上273名乘客和机组人员无一幸免。这是世界

航空史上最悲惨的事件之一。

事后，有关当局对这架失事飞机的残骸进行检查

后发现，这架飞机上连接一具引擎与机翼的螺栓因金

属疲劳折断，从而导致引擎燃烧爆炸。

由于金属材料的疲劳一般难以发现，因此常常造成突然的事故。在第二次世界大战期间，美国的5000艘货船共发生1000多次破坏事故，有238艘完全报废，其中大部分要归咎于金属的疲劳。早在100多年以前，人们就发现了金属疲劳给各个方面带来的损害。但由于技术的落后，还不能查明疲劳破坏的原因。直到显微镜和电子显微镜相继出现之后，使人类在揭开金属疲劳秘密的道路上不断取得新的成果，并且有了巧妙的办法来对付这个大敌。

2.发生金属疲劳的原因

人累了会疲劳，难道金属也会疲劳吗？

稍微留点心的话，我们就会注意到：用双手将一根细铁丝拉断，这是很费力的，然而，若用双手将细铁丝来回反复弯折，那么很快就会将铁丝折断。这说明，像钢铁这类的金属在反复交变的外力作用下，它的强度要比在不变的外力作用下小得多。人们把这种现象叫做金属材料的“疲劳”。金属材料为什么会疲劳呢？当金属材料所受的外力超过一定的限度时，在材料的内部存在缺陷或者是相互间作用最强的地方，会出现极微细的肉眼看不见的裂纹。如果材料所受的外力不是变的，这些微细裂纹不会扩展，材料也就不会损坏。但若材料所受的是方向或大小不断重复变化的外力，这时候这些微细裂纹的边缘，就会时而胀开，时而相压，或者彼此研磨，使得裂纹逐渐扩大和发展，材料中能够传递应力部分也就越来越少，直至剩余部分不能继续传递负载，即：裂纹发展到一定的程度，材料被削弱到不再能承担外力时，材料就会像雪崩似地毁于一旦。另外，金属内部结构不均匀，从而造成应力传递的不平衡，有的地方会成为应力集中区。这是金属疲劳的另一原因。

3.金属抗疲劳的办法

尽量减少零件上的薄弱环节，比方说，开孔、挖槽、切口等，因为疲劳裂纹常常发生在这些地方；提高零件表面的光洁度，保护表面不受生锈腐蚀之害，加工粗糙所产生的刻划痕以及材料锈腐之处，都是容易产生微细裂纹的；对零件表面进行强化处理，比如，辗压零件的表面，使材料表面强化，从而不易产生微细裂纹。

在金属材料中添加各种“维生素”是增强金属抗疲劳的有效办法。例如，在钢铁和有色金属里，加进万分之几或千万分之几的稀土元素，就可以大大提高这些金属抗疲劳的本领，延长使用寿命。随着科学技术的发展，现已出现“金属免疫疗法”新技术，通过事先引入的办法来增强金属的疲劳强度，以抵抗疲劳损坏。此外，在金属构件上，应尽量减少薄弱环节，还可以用一些辅助性工艺增加表面光洁度，以免发生锈蚀。对产生震动的机械设备要采取防震措施，以减少金属疲劳的可能性。在必要的时候，要进行对金属内部结构的检测，对防止金属疲劳也很有好处。

4.金属疲劳妙用

金属疲劳所产生的裂纹会给人类带来灾难。然而，也有另外的妙用。现在，利用金属疲劳断裂特性制造的应力断料机已经诞生。可以对各种性能的金属和非金属在某一切口产生疲劳断裂进行加工。这个过程只需要1―2秒钟的时间，而且，越是难以切削的材料，越容易通过这种加工来满足人们的需要.

5. 金属疲劳原理

金属在一定振幅下能承受多少次的震动，超过这个次数就超过了金属的疲劳极限，就会发生变形 如果振幅很大，就直接产生变形了，如果振幅很小，次数就可打到无限次

金属疲劳 在交变应力作用下，金属材料发生的破坏现象。机械零件在交变压力作用下，经过一段时间后，在局部高应力区形成微小裂纹，再由微小裂纹逐渐扩展以致断裂。疲劳破坏具有在时间上的突发性，在位置上的局部性及对环境和缺陷的敏感性等特点，故疲劳破坏常不易被及时发现且易于造成事故。应力幅值、平均应力大小和循环次数是影响金属疲劳的三个主要因素。

三．废旧电池回收利用

1.废电池回收的发展空间

日常使用的电池种类很多。大量的碱锰干电池，镍金属氢电池和锂离子电池等,其中含有的二氧化锰是贵重的物质,加以利用是有很大价值的.汞、含镉、含铅废电池。这类电池任意丢弃会将大量重金属元素、贵金属元素废弃,是严重的资源浪费。因此，对这类电池则须给予高度重视，控制它们的生产和使用,严格回收使用后的废电池，对其中的有用物质加以再生利用。

国外发达国家对废电池的回收利用极为重视。西欧许多国家不仅在商店，而且直接在大街上都设有专门的废电池回收箱，废电池中95%的物质均可以回收，尤其是重金属回收价值很高.如国外再生铅业发展迅速，现有铅生产量的55%均来自于再生铅。而再生铅业中，废铅蓄电池的再生处理占据了很大比例。100千克废铅蓄电池可以回收50-60千克铅。对于含镉废电池的再生处理，国外已有较为成熟的技术,处理100千克含镉废电池可回收20千克左右的金属镉。

2.电池的回收方法

1．固化深埋、存放于废矿井

如法国一家工厂就从中提取镍和镉，再将镍用于炼钢，镉则重新用于生产电池。 其余的各类

废电池一般都运往专门的有毒、有害垃圾填埋场，但这种做法不仅花费太大而且还造成浪费，

因为其中尚有不少可作原料的有用物质。

2．回收利用

（1）热处理

瑞士有两家专门加工利用旧电池的工厂，巴特列克公司采取的方法是将旧电池磨碎后送往炉内加热，这时可提取挥发出的汞，温度更高时锌也蒸发，它同样是贵重金属。铁和锰熔合后成为炼钢所需的锰铁合金。该工厂一年可加工2000吨废电池，可获得780吨锰铁合金，400吨锌合金及3吨汞。另一家工厂则是直接从电池中提取铁元素，并将氧化锰、氧化锌、氧化铜和氧化镍等金属混合物作为金属废料直接出售。不过，热处理的方法花费较高，瑞士还规定向每位电池购买者收取少量废电池加工专用费。

（2）“湿处理”

马格德堡近郊区正在兴建一个“湿处理”装置，在这里除铅蓄电池外，各类电池均溶解于硫酸，然后借助离子树脂从溶液中提取各种金属，用这种方式获得的原料比热处理方法纯净，因此在市场上售价更高，而且电池中包含的各种物质有95%都能提取出来。湿处理可省去分拣环节（因为分拣是手工操作，会增加成本）。马格德堡这套装置年加工能力可达7500吨，其成本虽然比填埋方法略高，但贵重原料不致丢弃，也不会污染环境。

（3）真空热处理法

德国阿尔特公司研制的真空热处理法还要便宜，不过这首先需要在废电池中分拣出镍镉电池，废电池在真空中加热，其中汞迅速蒸发，即可将其回收，然后将剩余原料磨碎，用磁体提取金属铁，再从余下粉末中提取镍和锰。这种加工一吨废电池的成本不到1500马克。